Tiristorski električni pogon

U industriji se široko koriste aktuatori s kontroliranim poluvodičkim ventilima - tiristorima. Tiristori se proizvode za struje do stotina ampera, za napone do 1000 volti ili više. Odlikuje ih visoka učinkovitost, relativno mala veličina, velika brzina i sposobnost rada u širokom rasponu temperatura okoline (od -60 do +60 ° C).

Tiristor nije potpuno upravljiv uređaj, koji se uključuje primjenom odgovarajućeg potencijala na upravljačku elektrodu, a isključuje se samo prisilnim prekidom strujnog kruga zbog napona prekida, njegovog prirodnog prijelaza kroz nulu ili dovodom prigušenja napon suprotnog predznaka. Promjenom vremena napajanja upravljačkog napona (njegova odgoda) možete prilagoditi prosječnu vrijednost ispravljenog napona, a time i brzinu motora.

Prosječna vrijednost ispravljenog napona u odsutnosti regulacije uglavnom je određena sklopnim krugom tiristorskog pretvarača. Krugovi pretvornika podijeljeni su u dvije klase: nulti i premošteni.

U instalacijama srednje i velike snage uglavnom se koriste premosni pretvarački krugovi, uglavnom iz dva razloga:

• manji napon na svakom od tiristora,

• odsutnost stalne komponente struje koja teče kroz namote transformatora.

Krugovi pretvarača također se mogu razlikovati u broju faza: od jedne u instalacijama male snage do 12-24 u snažnim pretvaračima.

Sve varijante tiristorskih pretvarača uz pozitivna svojstva, kao što su niska inercija, nedostatak rotirajućih elemenata, manje (u usporedbi s elektromehaničkim pretvaračima) veličine, imaju niz nedostataka:

1. Čvrsta veza s mrežom: sve fluktuacije napona u mreži prenose se izravno na pogonski sustav i povećava se opterećenje, osovine motora se odmah prenose na mrežu i uzrokuju strujne udare.

2. Nizak faktor snage kada se smanjuje napon.

3. Generacija viših harmonika, opterećenje na elektroenergetskoj mreži.

Mehanička svojstva motora pogonjenog tiristorskim pretvaračem određena su naponom koji se primjenjuje na armaturu i prirodom njegove promjene s opterećenjem, odnosno vanjskim karakteristikama pretvarača i parametrima pretvarača i motora.

Uređaj i princip rada tiristora

Tiristor (slika 1, a) je četveroslojni silicijev poluvodič s dva pn-spoja i jednim n-p-spojem. Veličina struje Az koja prolazi kroz tiristor pod djelovanjem anodnog napona Ua ovisi o struji Az tijekom kontrole koja prolazi kroz upravljačku elektrodu pod djelovanjem upravljačkog napona Uy.

Ako nema upravljačke struje (Azy = 0), tada će se s povećanjem napona U povećati struja A u krugu korisnika P, ali će ostati vrlo mala vrijednost (slika 1, b).

Riža. 1. Blok shema (a), strujno-naponska karakteristika (b) i konstrukcija (c) tiristora

U ovom trenutku, n-p spoj uključen u nevodljivom smjeru ima veliki otpor. Pri određenoj vrijednosti Ua1 anodnog napona, koja se naziva napon otvaranja, paljenja ili sklopke, dolazi do lavinskog proboja blokirnog sloja.Njegov otpor postaje mali, a jakost struje raste do vrijednosti određene u skladu s Ohmovim zakonom otporom Rp korisnika P.

Povećanjem struje Iu smanjuje se napon Ua. Struja Iu, kod koje napon Ua dostiže najnižu vrijednost, naziva se struja I s korekcijom.

Tiristor se zatvara kada se ukloni napon Ua ili kada mu se promijeni predznak. Nazivna struja I tiristora je najveća prosječna vrijednost struje koja teče u smjeru naprijed koja ne uzrokuje nedopustivo pregrijavanje.

Nazivni napon Un naziva se najveći dopušteni amplitudni napon pri kojem je osigurana zadana pouzdanost uređaja.

Pad napona ΔUn koji stvara nazivna struja naziva se nazivni pad napona (obično ΔUn = 1 — 2 V).

Vrijednost trenutne jakosti Ic korekcije varira u granicama od 0,1 - 0,4 A pri naponu Uc 6 - 8 V.

Tiristor se pouzdano otvara s trajanjem impulsa od 20 - 30 μs. Razmak između impulsa ne smije biti manji od 100 μs. Kad napon Ua padne na nulu, tiristor se isključuje.

Vanjski dizajn tiristora prikazan je na sl.1, v… Bakrena 1 šesnaesta silicijska četveroslojna struktura 2 s navojnim repom, s negativnom snagom 3 i kontrolom 4 izlaza. Silicijska struktura zaštićena je cilindričnim metalnim kućištem 5. Izolator je fiksiran u kućištu 6. Navoj u postolju 1 služi za ugradnju tiristora i za spajanje izvora anodnog napona na pozitivni pol.

Kako se napon Ua povećava, upravljačka struja potrebna za otvaranje tiristora se smanjuje (vidi sliku 1, b). Struja otvaranja upravljanja proporcionalna je naponu otvaranja upravljanja uyo.

Ako se Ua mijenja prema sinusoidnom zakonu (slika 2), tada se potrebni napon i 0 otvor mogu prikazati isprekidanom linijom. Ako je dovedeni upravljački napon Uy1 konstantan i njegova vrijednost je ispod minimalne vrijednosti napona uuo, tada se tiristor ne otvara.

Ako se upravljački napon poveća na vrijednost Uy2, tiristor će se otvoriti čim napon Uy2 postane veći od napona uyo. Promjenom vrijednosti uu možete promijeniti kut otvaranja tiristora u rasponu od 0 do 90°.

Riža. 2. Upravljanje tiristorom

Za otvaranje tiristora pod kutovima iznad 90 ° koristi se promjenjivi upravljački napon uy, koji se mijenja, na primjer, sinusoidno. Pri naponu koji odgovara sjecištu sinusnog vala tog napona s točkastom krivuljom uuo = f (ωt), tiristor se otvara.

Horizontalnim pomicanjem sinusoide uyo udesno ili ulijevo mijenja se kut ωt0 otvaranja tiristora. Ova kontrola kuta otvaranja naziva se horizontalna. Izvodi se pomoću posebnih faznih sklopki.

Pomicanjem istog sinusnog vala okomito gore ili dolje, također možete promijeniti kut otvaranja. Takvo upravljanje naziva se vertikalno. U ovom slučaju, s regulacijom promjenjivog napona tyy, dodajte konstantni napon algebarski, na primjer, napon Uy1... Kut otvaranja se podešava promjenom veličine ovog napona.

Jednom otvoren tiristor ostaje otvoren do kraja pozitivnog poluperioda i upravljački napon ne utječe na njegov rad. Ovo također omogućuje primjenu kontrole impulsa povremenom primjenom impulsa pozitivnog upravljačkog napona u pravo vrijeme (Slika 2 dolje). To povećava jasnoću kontrole.

Promjenom kuta otvaranja tiristora na ovaj ili onaj način, na korisnika se mogu primijeniti naponski impulsi različitih oblika. Time se mijenja vrijednost prosječnog napona na stezaljkama korisnika.

Za upravljanje tiristorima koriste se različiti uređaji. U shemi prikazanoj na sl. 3, AC mrežni napon se primjenjuje na primarni namot transformatora Tp1.

Riža. 3. Upravljački krug tiristora

U sekundarni krug ovog transformatora uključen je punovalni ispravljač B.1, B2, B3, B4 sa značajnim induktivitetom L u istosmjernom krugu. Praktična valna struja je praktički eliminirana. Ali takva istosmjerna struja može se dobiti samo ispravljanjem punog vala izmjenične struje koja ima oblik prikazan na sl. 4, a.

Dakle, u ovom slučaju, ispravljač B1, B2, B3, B4 (vidi sliku 3) je pretvarač u obliku izmjenične struje. U ovoj shemi, kondenzatori C1 i C2 izmjenjuju se u seriji s pravokutnim strujnim impulsima (slika 4, a).U ovom slučaju, na pločama kondenzatora C1 i C2 (slika 4, b), formira se poprečni pilasti napon, koji se primjenjuje na baze tranzistora T1 i T2 (vidi sliku 3).

Taj se napon naziva referentni napon. Istosmjerni napon Uy također djeluje u glavnom krugu svakog tranzistora. Kada je napon pile nula, napon Uy stvara pozitivne potencijale na bazama oba tranzistora. Svaki se tranzistor otvara baznom strujom pri negativnom baznom potencijalu.

To se događa kada se negativne vrijednosti referentnog napona pile pokažu veće od Uy (slika 4, b). Ovaj uvjet je ispunjen ovisno o vrijednosti Uy pri različitim vrijednostima faznog kuta. U ovom slučaju, tranzistor se otvara u različitim vremenskim razdobljima, ovisno o veličini napona Uy.

Riža. 4. Dijagrami upravljačkih napona tiristora

Kada se otvori jedan ili drugi tranzistor, pravokutni strujni impuls prolazi kroz primarni namot transformatora Tr2 ili Tr3 (vidi sliku 3). Kada prednji rub ovog impulsa prođe, u sekundarnom namotu se javlja impuls napona koji se primjenjuje na upravljačku elektrodu tiristora.

Kada zadnji dio strujnog impulsa prolazi kroz sekundarni namot, javlja se naponski impuls suprotnog polariteta. Ovaj impuls zatvara poluvodička dioda koja zaobilazi sekundarni namot i ne primjenjuje se na tiristor.

Kada se tiristorima upravlja (vidi sliku 3) s dva transformatora, generiraju se dva impulsa, fazno pomaknuta za 180 °.

Sustavi upravljanja tiristorskim motorima

U tiristorskim sustavima upravljanja za istosmjerne motore, promjena istosmjernog napona armature motora koristi se za upravljanje njegovom brzinom. U tim se slučajevima obično koriste višefazne sheme ispravljanja.

Na sl. 5, a najjednostavniji dijagram ove vrste prikazan je punom linijom. U ovom krugu, svaki od tiristora T1, T2, T3 spojen je u seriju sa sekundarnim namotom transformatora i armaturom motora; NS. itd. c. sekundarni namoti su izvan faze. Stoga se naponski impulsi koji su fazno pomaknuti jedan u odnosu na drugi primjenjuju na armaturu motora pri kontroli kuta otvaranja tiristora.

Riža. 5. Pogonski krugovi tiristora

U višefaznom strujnom krugu kroz armaturu motora mogu prolaziti povremene i trajne struje, ovisno o odabranom kutu paljenja tiristora. Reverzibilni električni pogon (slika 5, a, cijeli krug) koristi dva seta tiristora: T1, T2, T3 i T4, T5, T6.

Otvaranjem tiristori određene skupine mijenjaju smjer struje u armaturi elektromotora i sukladno tome smjer njegove vrtnje.

Reverziranje motora može se postići i promjenom smjera struje u uzbudnom namotu motora. Takav se obrnuti koristi u slučajevima kada nije potrebna velika brzina jer namot polja ima vrlo visok induktivitet u usporedbi s namotom armature. Takav obrnuti hod često se koristi za tiristorske pogone glavnog gibanja strojeva za rezanje metala.

Drugi set tiristora također omogućuje izvođenje načina kočenja koji zahtijevaju promjenu smjera struje u armaturi elektromotora.Tiristori u pogonskim krugovima koji se razmatraju koriste se za uključivanje i isključivanje motora, kao i za ograničavanje struje pokretanja i kočenja, eliminirajući potrebu za upotrebom kontaktora, kao i reostata za pokretanje i kočenje.

U pogonskim krugovima istosmjernog tiristora energetski transformatori su nepoželjni.Oni povećavaju veličinu i cijenu instalacije pa se često koristi sklop prikazan na Sl. 5 B.

U ovom krugu paljenjem tiristora upravlja upravljačka jedinica BU1. Spojen je na trofaznu strujnu mrežu, čime se osigurava snaga i usklađuju faze upravljačkih impulsa s anodnim naponom tiristora.

Tiristorski pogon obično koristi povratnu informaciju o brzini motora. U ovom slučaju koriste se tahogenerator T i međutranzistorsko pojačalo UT. Također se koriste povratne informacije e-poštom. itd. c. elektromotor, ostvaren istodobnim djelovanjem negativne povratne veze na napon i pozitivne povratne veze na struju armature.

Za podešavanje struje uzbude koristi se tiristor T7 s upravljačkom jedinicom BU2. Pri negativnim poluciklusima anodnog napona, kada tiristor T7 ne propušta struju, struja u OVD nastavlja teći zbog e. itd. c. samoindukcija, zatvaranje kroz premosni ventil B1.

Tiristorski električni pogoni s regulacijom širine impulsa

U razmatranim tiristorskim pogonima motor se napaja naponskim impulsima frekvencije 50 Hz. Da biste povećali brzinu odziva, preporuča se povećati frekvenciju pulsa.To se postiže u tiristorskim pogonima s regulacijom širine impulsa, gdje kroz armaturu motora prolaze pravokutni istosmjerni impulsi različitog trajanja (geografske širine) frekvencije do 2-5 kHz. Osim brzog odziva, takvo upravljanje omogućuje velike raspone upravljanja brzinom motora i veću energetsku učinkovitost.

S regulacijom širine impulsa, motor se napaja iz nekontroliranog ispravljača, a tiristor spojen u seriju s armaturom se povremeno zatvara i otvara. U ovom slučaju, DC impulsi prolaze kroz armaturni krug motora. Promjena trajanja (geografske širine) ovih impulsa ima za posljedicu promjenu brzine vrtnje elektromotora.

Budući da u ovom slučaju tiristor radi na konstantnom naponu, za njegovo zatvaranje koriste se posebni krugovi. Jedna od najjednostavnijih shema kontrole širine impulsa prikazana je na sl. 6.

Riža. 6. Tiristorski električni pogon s kontrolom širine impulsa

U ovom krugu, tiristor Tr se isključuje kada se uključi prigušni tiristor Tr. Kada se ovaj tiristor otvori, nabijeni kondenzator C se prazni na prigušnica Dr1, stvarajući značajan e. itd. c. U tom slučaju se na krajevima prigušnice javlja napon koji je veći od napona U ispravljača i prema njemu usmjeren.

Preko ispravljača i shunt diode D1, ovaj napon se dovodi na tiristor Tr i uzrokuje njegovo isključivanje. Kad se tiristor isključi, kondenzator C se ponovno puni do sklopnog napona Uc > U.

Zbog povećane frekvencije strujnih impulsa i inercije armature motora, pulsna priroda napajanja praktički se ne odražava na glatkoću rotacije motora. Tiristori Tr i Tr otvaraju se posebnim faznim sklopom koji omogućuje promjenu širine impulsa.

Elektrotehnička industrija proizvodi različite modifikacije potpuno reguliranih tiristorskih istosmjernih pogona. Među njima su pogoni s rasponom brzine 1:20; 1: 200; 1: 2000 promjenom napona, bespovratni i reverzibilni pogoni, sa i bez električnog kočenja. Upravljanje se provodi pomoću tranzistorskih fazno-impulsnih uređaja. Pogoni koriste negativnu povratnu informaciju o broju okretaja motora i e. brojaču itd. s

Prednosti tiristorskih pogona su visoke energetske karakteristike, male dimenzije i težina, nepostojanje ikakvih rotacijskih strojeva osim elektromotora, velika brzina i stalna spremnost za rad.Glavni nedostatak tiristorskih pogona je njihova još uvijek visoka cijena, koja znatno premašuje trošak pogona s električnim strojem i magnetskim pojačalima.

Trenutno postoji stabilan trend prema širokoj zamjeni tiristorskih DC pogona AC pogoni promjenjive frekvencije.